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基于动态因素考虑的煤层气储层渗透性地质演化分析【摘要】煤储层渗透率是衡量煤层气可开采性最重要的指标之一，其发育过程对于煤层气的富集、保存以及溢散等研究具有指向意义，煤层气储层渗透率演化历史分析将为煤层气的勘探选区提供重要的理论基础。
本文以鄂尔多斯盆地东部石炭-二叠系煤储层为例，综合分析了煤储层构造史、埋藏史等动态地质因素及其相互作用关系，提出了煤储层渗透率地质演化规律。
研究表明，鄂尔多斯盆地石炭-二叠系煤储层渗透率的发育整体上呈下降的趋势，在煤储层热演化程度、地应力条件、储层埋深等动态因素联合控制下，渗透率的发育呈现明显的“波浪式”。
其中，三叠纪至早白垩世末期为渗透率发育的快速降低阶段、早白垩世末期以来为渗透率缓慢上升的阶段。
【关键词】煤储层渗透率发育动态因素煤储层是一套由天然裂隙和基质孔隙组成的双重结构模型，裂隙系统为煤层气渗流运移的通道，煤储层渗透率，作为衡量煤层气在煤层中渗流能力的参数，除受自身裂隙发育特征控制外，地质构造、应力状态、煤基质的收缩作用、煤层埋深、煤的演化程度、煤岩煤质特征、煤体结构及电场等都不同程度地影响煤层渗透率，诸多因素相互作用、相互关联，常常混淆了对于渗透率发育的主控因素的把握，虽然对于各项影响因素的作用机理基本都达成了共识，但大多数学者只对影响煤储层渗透率的静态因素进行了定性分析，而往往忽略了煤层气储层埋藏史、烃源岩热演化史以及煤储层古应力等动态地质因素对于煤层渗透率的控制作用，特别这些动态地质条件相互作用分析，使得煤储层渗透率的分析存在较大的局限性。
据此，笔者在综合研究煤储层构造史、埋藏史、烃源岩热演化史以及古应力等动态地质因素及其相互作用关系基础上，建立渗透率的发育模型，将为现今煤层气的富集规律提供理论基础。
1 煤储层渗透率发育主控因素分析煤储层渗透率的发育受到诸多因素的影响，但大量研究表明渗透率发育的主要控制因素为地应力、热演化程度、储层埋深等因素的控制。
地应力通过改变煤储层的孔隙结构而使其渗透率发生变化，其决定了现今煤层中裂隙的频度和方向，以及裂隙的闭合、开启程度。
煤层气储层渗透率影响因素摘要：煤层气作为一种新型能源，而且我国煤层气储量丰富，因此其开采利用可以很大程度上缓解我国常规天然气需求的压力。
煤储层的渗透率是煤岩渗透流体能力大小的度量，它的大小直接制约着煤层气的勘探选区及煤层气的开采等问题。
因此掌握煤储层渗透率的研究方法及影响因素，对于指导煤层气开采具有重要的指导意义。
本文主要在前人的基础上，从裂隙系统、煤变质程度、应力及当前其他领域的技术对渗透率的研究的理论、认识及存在的问题等进行总结，对煤储层渗透率的预测有一定的理论指导意义。
Abstract: Our country is rich in the CBM which is a new resource. So the development of CBM can lighten our pressure for the requirement of conventional gas.The permeability of the coal reservoir is a measure of fluid 's osmosis permeability, restricting the exploration area and mining of CBM. Therefore, controlling the method of mining and the effect factoring has an important guiding significance for mining .This article is summarized from fracture system,the degree of coal metamorphism, stress for the theory, matters and so on of permeability 's study which is based on the achievement of others ，having a great guiding significance for the permeabilityprediction. 关键词：煤层气；渗透率；影响因素1、引言煤层气是指赋存在煤层中常常以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主并部分游离于煤孔隙中或溶解在煤层水中的烃类气体[1]。
煤储层渗透率影响因素及排采控制研究田俊林（中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京 １０００８３） 摘 要：在煤层气排采过程中，渗透率是影响气井产量的关键因素。
本文通过分析煤层气排采经验，总经了在气井排采过程中，煤储层渗透率影响因素；并且在不同的排采阶段要采取不同的排采控制措施。
关键词：煤层气；渗透率；影响因素；排采控制 中图分类号：ＴＤ８２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—７９８１（２０２０）０１—００１７—０３ 煤层气井获得可观产气量需要两个基本条件：煤储层要具有一定的含气量以及良好的渗透性，前者是气井产气的物质基础，后者则是气体能够有效产出的关键因素。
在气井排采过程中，如何减少对储层渗透率的伤害，扩大解吸半径，是决定气井能否高产的关键因素。
在此过程中，对储层渗透率影响最大的主要有５个因素：应力敏感性、基质收缩、煤粉堵塞、气锁伤害以及气水两相流效应。
１ 煤储层渗透率影响因素１．１ 应力敏感性煤储层是一种典型的双重孔隙介质，其孔隙结构主要是由基质孔隙和裂缝孔隙构成，其中煤储层的渗透性主要取决于煤中裂隙。
在煤层气井排采过程中，随着地下水和煤层气的排出，煤储层压力逐渐下降，导致煤储层有效应力增加，煤储层微孔隙和裂隙被压缩甚至闭合，从而使煤储层渗透率明显下降，煤储层表现出明显的应力敏感性。
煤储层的应力敏感性可以用渗透率损害系数、渗透率损害率、不可逆渗透率损害率和应力敏感系数来具体评价［１］。
前人通过大量的试验研究表明，渗透率随有效应力的增大呈指数型降低。
１．２ 煤基质收缩效应煤体在吸附或解吸的过程中产生的膨胀或收缩效应统称为吸附变形。
在产气阶段，随着煤层气的解吸，煤基质开始收缩变形，导致煤中的裂隙开度增大，煤储层渗透率开始升高［１］。
基质收缩效应与应力敏感性不同，后者会导致煤储层渗透率下降并且很难恢复，前者则会提高煤储层渗透率。
煤储层渗透率在煤层气临界解吸压力前，主要受有效应力的影响而出现下降趋势，但当煤层气排采一段时间后，随着煤层气的不断解吸，煤基质收缩效应开始逐渐增强，有效应力效应逐渐减弱，煤储层渗透率开始逐渐改善。
煤层气渗流规律及其实验方法研究一、引言渗流力学是研究多孔介质内流体流动规律及其应用的科学。
自1856年Darcy 提出线性渗流定律以来，渗流力学就一直在不断地发展，并逐渐与其他学科交叉，在能源、资源的开发与利用以及工程建设中得到了非常广泛的应用。
渗流力学最先应用在水利工程和地下水资源开发等领域；随后又成为石油和天然气工业的一项基础理论。
随着煤层气这一新型清洁能源的重视与开发，渗流理论又应用在煤层气的开发与利用中。
煤层气渗流力学是研究煤层内瓦斯压力分布及其流动变化规律的理论，是由渗流力学、煤地质学、固体力学及采矿学等学科互相交叉渗透发展形成的。
自煤层气渗流力学创立至今深受有关研究人员的关注，尤其自20世纪80年代以来发展更为迅速，表现在：应用范围更广；基本理论不断深化；研究手段及方法不断现代化。
二、煤层气渗流规律研究内容及现状煤层气的渗流理论可分为线性渗流理论，非线性渗流理论，地球物理场效应的渗流理论和多煤层瓦斯越流理论，下面依次对其研究内容及现状做一简要介绍。
（一）线性渗流理论1、线性渗透理论为了适应采矿采煤业的大力发展，控制瓦斯技术已成为当时研究的关键技术之一，早在20世纪40年代末，前苏联学者就已经建立起考虑吸附煤层瓦斯作用的瓦斯控制方程[式(1) ]。
在我国，周世宁院士等[1]首先进行了将达西定律应用于煤层瓦斯流动理论的开拓性研究，认为煤层瓦斯的流动基本符合线性渗流规律，其观点对煤层瓦斯渗流的应用和瓦斯动力学研究具有相当重要的指导意义。
v k p nμ∂=-∂ （1） 式中：v 为流速；k 为煤层的渗透率；μ为瓦斯黏度系数；p 为瓦斯压力；p n ∂∂为瓦斯压力在流动方向上的偏导数。
此外还导出了瓦斯流量方程[式(2) ]：p q nλ∂=-∂ （2） 式中，q 为瓦斯流量；λ为煤层透气系数。
20世纪80年代，多位研究者在修正和完善数学模型、流动方程方而开展了相应的工作。
由于大多数井下瓦斯流动都可简化为一维的平行流动和径向流动的有限流场、无限流场或其组合，为此，郭勇义等[2]针对一维流动，结合相似理论提出了修正的流动方程。
煤层气储层渗透率影响因素研究
发表时间：2018-06-19T16:35:29.853Z 来源：《基层建设》2018年第10期作者：张龙[导读] 摘要：面对国家能源结构调整和社会对环境保护的需求，国家相关部门对煤层气提出了更大的指导规划和更积极的财政补贴政策，使得我国煤层气勘探开发又进入一次新的发展时期。
新疆煤田地质局一五六煤田地质勘探队 830009 摘要：面对国家能源结构调整和社会对环境保护的需求，国家相关部门对煤层气提出了更大的指导规划和更积极的财政补贴政策，使得我国煤层气勘探开发又进入一次新的发展时期。
关键词：煤层气；渗透性；影响因素
引言
目前，中国多数煤层气单井产量不高，衰减快，除了渗透率低这个客观因素外，一个很重要的原因就是对煤储层渗透率变化特征认识不全面，国内有关此类报道较少，因此加强煤层气储层的渗透性及其开发过程中动态变化特征的研究势在必行。
笔者在总结前人研究的基础上，系统全面分析了煤层气储层的渗透性的相关影响因素及其变化规律。
1煤层气解吸过程
目前煤层气开采和实验研究普遍采用基于气相吸附理论的吸附—解吸模型，认为煤层中的水不利于甲烷的吸附，但实际情况是注水煤样中的液态水的存在反而增加了甲烷吸附量，符合液相吸附理论的特征，而且煤层气液相吸附的模式符合煤层气实际生产规律，可以将煤层气的解吸分为以下几个阶段：地层水脱气阶段、液相解吸阶段、气相解吸阶段和复合解吸阶段。
根据液相吸附理论，煤基质（颗粒）和CH4分子是非极性分子，H2O分子是极性分子，因为二者极性不同，H2O分子将进一步推动CH4分子向煤基质方向移动，而煤基质（颗粒）与CH4分子的极性相近趋于相互吸附，使得CH4分子以高于气相吸附程度的形式更加密集地排列到煤基质（颗粒）表面，如图1所示。
根据煤层气的吸附理论，在开展排水采气作业时，由于地层水在甲烷未饱和阶段，所以煤层气井只产水不产气；当水量排至甲烷浓度和溶解度相同时，再降低压力时煤层的吸附甲烷才开始解吸，并且地层水开始脱气；水中的甲烷浓度降低，液相解吸也逐渐开始；随着地层压力的进一步降低，气相解吸出的甲烷不断进入煤层的孔隙和裂缝，产气量进一步增大；当压力降低到一定程度时，由液相解吸出来的一部分气体会出现气相吸附的现象，被称为复合解吸阶段，当液相解吸出来的甲烷无法被气相吸附时，气相解吸就会进一步释放大量的甲烷，使得煤层气的产量进一步增大，如图2所示。
当然，并不是所有煤层气井的生产过程都是严格地按此流程进行，具体也要根据煤层气储层的压力、地质、生产流程等多种因素来进行分析。
2煤岩组分类型
2.1镜质组
J． C． Close 认为割理常产生于镜质组分层中，终结于镜质组分层及煤与非煤岩石的交界处。
镜质组（尤其是均质镜质体）致密、均匀、块体大，有利于割理顺利延伸和发展；惰质组是多孔状的、纤维状的，有释放应力、减弱割理和阻挡割理的作用，对割理发育不利；壳质组的机械强度大于镜质组和惰质组，其形变过程类似于镜质组，多数煤层含壳质组很少，故壳质组对煤层割理发育影响不大。
2.2惰质组
宏观煤岩成分主要是指用肉眼可以分辨出来的煤的基本组成部分，包括镜煤、亮煤、暗煤和丝炭 4种。
根据镜煤和亮煤在煤层中的含量而反映出来的总体相对光泽强度，煤岩可由强到弱划分为光亮煤、半亮煤、半暗煤和暗淡煤 4 种类型。
一般在富含镜煤和亮煤的光亮煤中镜质组含量较高，在暗煤和丝炭含量高的暗淡煤中惰质组含量高。
2.3壳质组
Macrea 等通过对英国约克郡地区煤层中割理间距的研究指出：暗淡型条带状煤中的割理间距宽于光亮型条带状煤。
张胜利等研究表明，光亮煤中割理比较发育，暗淡煤中也可见割理，但其割理密度远小于光亮煤。
毕建军等也发现，割理一般发育在光亮煤分层中，极少延伸到暗淡煤分层中。
因此，从显微组分的组成上讲，镜质组含量越高，割理越发育，渗透性越好。
从煤岩类型看，光亮煤的渗透性为最好，其次为半亮煤、半暗煤、暗淡煤。
3储层渗透率影响因素
3.1地应力
煤层气储层与常规油气藏区别较大，其不仅是一个复杂地质条件下的三维地质体，而且是自生自储的甲烷主要吸附在煤基质孔隙表面的非常规油气层。
由于煤基质的孔隙多是纳米级孔隙，所以在研究地应力对渗透率的影响时主要指的是裂隙。
裂隙既是煤层气的贮存空间，又是煤层气产出和运移的主要通道。
因此，对煤储层渗流规律的分析不仅需要研究煤层在地应力作用下裂隙的发育机理，而且要对岩体破坏的方式和因素进行研究，特别是对岩体中各组成单元力学性能及岩体结构的差异性导致的残余压应力和残余拉应力进行研究。
3.2煤质演化程度
国内外学者已经达成一个共识，即煤岩演化程度对于煤层渗透率具有一定的影响，在中煤级演化阶段煤层生烃量最大，收缩内应力最大，割理密度最大，渗透率最高。
而对于不同热演化程度的煤岩储层，力学参数之间表现出较大的差异性。
在同一应力条件下，具有弹性模量、泊松比和体积模量等参数较好的中煤级储层，存在发育较好的裂隙，并且渗透率值较高；具有弹性模量、泊松比和体积模量等参数较差的低、高煤级储层，其情况则相反。
所以地应力决定储层裂隙的闭合或开启程度进而影响渗透性，煤岩热演化程度在此基础上对渗透率进行调节。
同时煤质演化程度决定着煤层气储层孔隙系统、储集性能和表面粗糙程度。
3.3煤基质收缩
室内实验结果表明，煤基质在吸附气体或解吸气体过程中存在自身体积的膨胀或收缩。
特别是在解吸气体时，随着解吸气量不断增大，煤基质开始收缩，侧向上由于受到围压限制，导致纵向渗透率出现大幅度减小，但应变不会发生在煤层整体的水平方向上，只是沿裂隙发生局部侧方向上，基质的收缩会引起裂缝宽度一定程度的增加，导致水平渗透率相应增大。
由于煤储层在演化程度、有机质含量等基本性质的不同，收缩率的表现大相径庭。
大量的研究成果都只考虑了应力敏感或基质收缩这一因素对煤层气储层渗透率的影响，忽略了基质孔隙的影响。
3.4克林伯格效应
针对煤层气储层的克林伯格效应研究还是受到常规砂岩气藏的影响，有的学者认为渗透率越小，滑脱因子越大，克林伯格效应就越显著，渗透率就越大。
有的学者认为克林伯格效应仅在低压下显著，渗透率的变化是克林伯格效应和应力共同作用的结果，也是流体和煤体多孔介质的天然属性及其相互作用所导致的，由于应力变化可使煤层渗透率发生两个数量级的变化，而克林伯格效应的影响相对甚小，可以忽略不计。
有的学者认为煤层气在渗流过程中，可以忽略压力梯度对甲烷黏度的影响，煤储层孔—裂隙中气体渗流时的边界层是吸附态的甲烷分子，滑脱效应在边界层之外，渗透率与压力梯度表现出来的关系是煤基质收缩效应和滑脱效应的共同作用所导致的，但是克林伯格效应对渗透率的影响地位与基质收缩效应（或吸附作用影响）根本无法相提并论，且随着压力梯度的增大，克林伯格效应的影响会变得极小。
结语
1）煤层气复合解吸模式的研究有利于解释煤层气生产特征，其中气相解吸压力点和液相解吸压力点的不同，对于认识煤层气的渗流特征带来进一步的认识。
甲烷主要吸附在煤基质孔隙的表面，孔隙的表面积对煤层气的影响显著，随着排水采气作业的不断进行，大量的地层水排出孔隙，会形成大量与裂隙相连的孔隙，以往煤层渗透率的参数只考虑割理与实际情况不符。
2）煤层的演化不仅对煤层气储层的
孔隙结构造成影响，同时对孔隙表面的粗糙度也具有一定的影响，因此建议在设计煤层气储层渗透率实验和建立数学物理模型时，将煤层气储层的成熟度作为一个重要的研究指标或模型参数引入到相关研究中。
参考文献：
［1］朱苏阳，李传亮，杜志敏，等．煤层气的复合解吸模式研究［J］．中国矿业大学学报，2016，45（2）：319－327．［2］陈刚，秦勇，杨青，等．不同煤阶煤储层应力敏感性差异及其对煤层气产出的影响［J］．煤炭学报，2014，39（3）：504－509．
［3］汪伟英，汪亚蓉，邹来方，等．煤层气储层渗透率特征研究［J］．石油天然气学报，2009，31（6）：127－128．。
